Расчет многослойной цилиндрической обмотки НН из прямоугольного провода

Выбирается провод (или несколько проводов) нужного размера. Уточняется сечение витка, находится реальная плотность тока в обмотке и определяется число витков в слое. Уточняется осевой размер обмотки, определяется число слоев и рабочее напряжение двух слоев обмотки. Уточняется радиальный размер обмотки и определяется радиальный размер одной катушки. Находятся ее внутренний и наружный диаметры и полная охлаждающая поверхность обмотки.

На рис. 2.5 показана обмотка, состоящая из семи слоев. Наиболее широкая катушка состоит из четырех слоев.

Итак, предполагаемый тип обмотки был выбран выше. Для точного расчета обмотки необходимо знать два важнейших ее параметра: рассчитанное ранее число витков (см. формулу (2.3)) и заданное ориентировочное сечение витка (см. формулу (2.6)).

Очевидно, что этот тип обмотки отличается от простой (однослойной) и двухслойной цилиндрической обмотки в первую очередь большим числом слоев. В этой обмотке также не применяется намотка на ребро, поскольку добавочные потери возрастают многократно и будут превышать допустимые.

При выполнении многослойной обмотки слои соединяются последовательно.

Для данного типа обмотки число параллельных проводов не должно быть более восьми, все витки в каждом слое и их параллельные провода должны иметь одинаковые размеры и укладываться один за другим в один ряд без интервалов в осевом направлении. Направление намотки слоев многослойной обмотки различно. Все нечетные слои, считая изнутри, имеют одно направление намотки, обычно левое, все четные – другое, обычно правое.

Для выравнивания торцевых поверхностей обмотки, витки которой намотаны по винтовой линии, к верхнему и нижнему виткам каждого слоя прикрепляют вырезанное из бумажно-бакелитового цилиндра опорное разрезное кольцо.

Напряжение между первым витком какого-либо слоя и лежащим рядом последним витком следующего слоя равно сумме рабочих напряжений двух слоев, что составляет значительную величину. Поэтому собственной изоляции витков может оказаться недостаточно. Для обеспечения электрической прочности обмотки применяют дополнительную междуслойную изоляцию при помощи кабельной бумаги, намотанной в несколько слоев. Для предотвращения разряда между соседними слоями высоту междуслойной изоляции делают на 10–25 мм больше высоты слоя обмотки.

Проводники внутренних слоев обмотки, не соприкасающиеся с маслом, нагреваются сильнее, чем проводники наружных слоев. Для получения достаточной поверхности охлаждения в обмотке делают один или два осевых (вертикальных) канала, по которым циркулирует масло. Канал образован рейками из электрокартона или из дерева.

В многослойной цилиндрической обмотке (с последовательным соединением слоев), как и в одно- и двухслойной, параллельные провода наматываются с одинаковыми диаметрами на цилиндрической поверхности, т. е. имеют одинаковую длину и, следовательно, одинаковое активное сопротивление. Также они находятся в одинаковых зонах поля рассеяния и имеют одинаковое реактивное сопротивление. Поэтому по параллельным проводам протекают одинаковые токи и потери распределены равномерно, а значит, транспозиция параллельных проводов не нужна.

Для защиты от импульсных перенапряжений в многослойных цилиндрических обмотках классом напряжения 35 кВ применяют электрические экраны (для данного курсового проекта не существует вариантов обмотки НН с данным классом напряжения). Экран представляет собой незамкнутый цилиндр из латунного листа толщиной мм, устанавливаемый под внутренним слоем обмотки. Экран изолируется такой же междуслойной изоляцией, как и все слои обмотки.

Зная величину , по сортаменту обмоточного провода для трансформаторов (прил. 8) подберите подходящие провода прямоугольного сечения.

Подобранные размеры проводов записывают в следующем виде:

,

где – число параллельных проводов; и – размеры провода без изоляции; и – размеры провода в изоляции, которые находятся с использованием прил. 10:

; . (2.20)

Полное сечение витка обмотки из параллельных проводов

(2.21)

где – сечение одного провода.

Таким образом, уточнено сечение витка предварительно рассчитанное по формуле (2.6).

Реальная плотность тока в обмотке

, (2.22)

где – по формуле (1.3) или (1.5); – по формуле (2.21).

Далее необходимо определить число витков в слое . Для этого примем заданную высоту обмотки НН равной заданной высоте обмотки рассчитанной по формуле (1.16). После этого уменьшим на 1 см и подставим полученное значение в формулу:

(2.23)

где – число параллельных проводов; – больший размер провода в изоляции (по формуле (2.20)).

Полученное значение округляется до целого числа.

Реальный осевой размер обмотки

(2.24)

где – см. формулу (2.23) с учетом округления; − число параллельных проводов; − по формуле (2.20). Величину необходимо увеличить на 1 см, полученное при этом значение должно быть как можно ближе к значению , рассчитанному по формуле (1.16), но не должно превышать его. В противном случае в расчетах сделана ошибка.

Таким образом, уточнена высота обмотки НН

Число слоев в обмотке

(2.25)

где – см. формулу (2.3) с учетом округления; – см. формулу (2.23) также с учетом округления.

Заметим, что число слоев в обмотке в принципе может быть и дробным. Это означает, что все слои, кроме последнего, будут намотаны полностью, а последний слой будет намотан частично. Для получения более благоприятного вида обмотки можно, варьируя параметр провода в пределах требуемого ориентировочного сечения витка выбрать другой провод по сортаменту так, чтобы получить целое (или почти целое) число слоев.

При этом радиальный размер провода без изоляции в зависимости от числа параллельных проводов в радиальном направлении, не должен превышать значения указанного в прил. 10. Тогда добавочные потери не превысят допустимые 5 % от основных электрических потерь (см. гл. 3).

Кроме того, если , то такая многослойная обмотка автоматически стала одно- или двухслойной. Поэтому следует выбрать другой тип обмотки (одно- или двухслойную цилиндрическую из прямоугольного провода) и продолжить расчеты.

Рабочее напряжение двух слоев

(2.26)

где – см. формулу (2.23) с учетом округления; – по формуле (2.4).

Реальный радиальный размер обмотки

(2.27)

Здесь – меньший размер провода в изоляции (по формуле (2.20)); – по формуле (2.25); − общая толщина кабельной бумаги в изоляции между двумя слоями обмотки (см. прил. 11 и формулу (2.26)); – минимальный размер охлаждающего канала, выбирается из столбца «обмотка – обмотка» прил. 11; − число охлаждающих каналов, можно не делать каналы или выбрать один канал, а если охлаждения будет недостаточно (этот случай будет рассмотрен в гл. 5), сделать дополнительный канал и т. д.

Таким образом, уточнен параметр , предварительно вычисленный по формуле (1.15).

В обмотке НН охлаждающий канал (как правило, канал всего один) делит обмотку на катушки с одинаковым по возможности числом слоев. Например, если обмотка состоит из шести слоев, то ее можно разделить одним каналом на две катушки по три слоя в каждой. Но если обмотка состоит, например, из семи слоев, то одна из катушек будет состоять из трех слоев, другая – из четырех. Если по условиям охлаждения необходимо сделать дополнительные каналы (как правило, достаточно одного дополнительного канала, т. е. всего будет два охлаждающих канала), то число слоев в каждой катушке также по возможности должно быть одинаковым. Сложность этого этапа расчета заключается в том, что необходимое количество охлаждающих каналов станет известно только при окончательном расчете (гл. 5). Поэтому пока целесообразно или не делать канал вообще, или (этот вариант более приемлем) сделать один канал.

Зная общее число слоев определите число слоев одной такой катушки или наиболее широкой (большей) катушки .

Затем определите радиальный размер одной такой катушки (или радиальный размер наиболее широкой катушки, если нельзя точно разделить обмотку на одинаковые катушки) по формуле:

, (2.28)

где – меньший размер провода в изоляции (по формуле (2.20)); – число слоев одной (или наиболее широкой) катушки; – см. прил. 11 и формулу (2.26).

Если дальнейшие расчеты покажут, что охлаждения недостаточно, потребуется сделать дополнительные каналы и пересчитать размеры в формулах (2.27) и (2.28), а также пересчитать все дальнейшие формулы, в которых содержатся величины и , и число каналов.

Внутренний диаметр обмотки

, (2.29)

где – по табл. 1.2.

Наружный диаметр обмотки

, (2.30)

где – по формуле (2.29); – по формуле (2.27).

Полная охлаждающая поверхность данной обмотки НН

, (2.31)

где − число стержней или число фаз, ; − коэффициент, учитывающий увеличение числа охлаждающих поверхностей обмотки с введением канала (, если канал отсутствует (обычно на практике обмотка всегда имеет хотя бы один канал), , если один канал, , если два канала и т. д.); − коэффициент закрытия охлаждающей поверхности рейками и другими изоляционными деталями, для обмотки НН ; ; , – по формулам (2.29) и (2.30); – см. формулу (2.24).